一种油电混合无人机用起动发电一体式系统及控制方法技术方案

一种油电混合无人机用起动发电一体式系统及控制方法，包括发动机、起动发电机以及与无人机相连的双向PWM整流电路，其中，发动机与起动发电机相连，起动发电机与双向PWM整流电路相连；双向PWM整流电路还连接有电池与控制器。本发明专利技术通过采用双向PWM整流电路，高效利用功率变换器和发电机电感，不增加其他功能模块的情况下，实现对发动机的起动控制，发电机的整流稳压控制。本发明专利技术可以使油电混合无人机携带更多的燃料，无人机的续航时间将大大提高。

An Integrated Starting and Generating System and Control Method for Oil-Electric Hybrid UAV

【技术实现步骤摘要】
一种油电混合无人机用起动发电一体式系统及控制方法
本专利涉及无人机
，具体涉及一种油电混合无人机用起动发电一体式系统及控制方法。
技术介绍
油电混合无人机在工业级无人机应用中越来越受到重视。油电混合无人机的核心技术是由发动机与起动发电机等构成的发电系统。现有油电混合无人机上的发动机的起动发电机功率变换电路系统都过于繁琐，应用在无人机上时，供电性能大大折扣。比如采用地面起动机起动，然后发电机组供电的方案，灵活性将降低；如采用不控整流加DCDC稳压电路的输出供电方案，环节过多，增加重量，降低效率。在混合动力无人机行业中，起动发电机一般采用永磁电机，但是永磁电机无法调节励磁，发电工作时的反电势与发动机的转速成比例关系。发动机在起动发电机发电功率变化的情况下，电压时刻在波动，而对于无人机控制来说，稳定的电压是实现平稳飞行控制的前提。针对以上问题，传统的解决方法是采用三相不控整流，输出电压波动的直流电，后级加入一个DC/DC稳压三相不控整流，实现电压控制。但是由于采用三相不控整流与DC/DC，会增加损耗，且使结构复杂。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术的目的是提出一种油电混合无人机用起动发电一体式系统及控制方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种油电混合无人机用起动发电一体式系统，包括发动机、起动发电机以及与无人机相连的双向PWM整流电路，其中，发动机与起动发电机相连，起动发电机与双向PWM整流电路相连；双向PWM整流电路还连接有电池与控制器。本专利技术进一步的改进在于，电池通过双向DC/DC变换器与双向PWM整流电路相连。本专利技术进一步的改进在于，双向PWM整流电路包括采用三相半桥的形式连接的六组功率MOSFET。本专利技术进一步的改进在于，还包括采集三相电压电流信号与直流母线电压电流信号的电压电流传感器；六组功率MOSFET与驱动模块相连，电压电流传感器和驱动模块均与控制器相连。一种基于上述的油电混合无人机用起动发电一体式系统的控制方法，包括以下步骤：1)起动时，利用起动发电机将发动机拖动至点火工作点，然后发动机火花塞上电，进行点火操作；控制器根据电压电流传感器检测到的三相电压电流信号，采用转速外环电流内环的双闭环控制策略与矢量控制算法，生成SVPWM三相桥调制信号，并将SVPWM三相桥调制信号输出给驱动模块，驱动模块驱动双向PWM整流电路，双向PWM整流电路带动起动发电机，起动发电机带动发动机起动；2)发电时，起动发电机在发动机的带动下发出交流电，控制器根据电压电流传感器检测到的交流电的三相电压电流信号，并采用电压外环电流内环的双闭环控制策略与矢量控制算法，生成SVPWM三相桥调制信号，实现发电。本专利技术进一步的改进在于，步骤2)中，进行矢量控制算法时，根据不同的发动机转速，采用增磁控制策略、弱磁控制策略或Id＝0控制策略，生成SVPWM三相桥调制信号，并输出给双向PWM整流电路，双向PWM整流电路输出稳定的24V直流电压并驱动无人机的旋翼电机。本专利技术进一步的改进在于，根据不同的发动机转速，采用增磁控制策略、弱磁控制策略或Id＝0控制策略的具体过程如下：2)当发动机转速高于期望转速上限ωmax时，采用弱磁控制策略；2)当发动机转速低于期望转速下限ωmin时，采用增磁控制策略；3)当发动机转速在期望转速上限ωmax与期望转速下限ωmin之间时，采用Id＝0控制策略。本专利技术进一步的改进在于，当直流母线电流过零点时，将起动切换为发电。与现有技术相比，本专利技术具有得有益效果：本专利技术通过采用双向PWM整流电路，高效利用功率变换器和发电机电感，不增加其他功能模块的情况下，实现对发动机的起动控制，发电机的整流稳压控制。这样功率变换电路相当于不控整流加DCDC变换器方案的重量和体积的2/3，功率流动过程中电损耗将降低到原来的1/2，这样可以使油电混合无人机携带更多的燃料，无人机的续航时间将大大提高。本专利技术的系统结构简单，并且不会额外的增加损耗，实现了电压的稳定控制。本专利技术在油电混合无人机用发动机起动时，对起动发电机采用了矢量控制算法，提高了发动机起动的可靠性和平稳性。本专利技术在发电时，由于采用转速外环转矩内环的双闭环控制策略，所以可平稳的将发动机拖动至起动转速，达到发动机的起火工作点。由于采用矢量控制算法，所以具有响应速度快，可靠性高，发动机的起动成功率高。本专利技术采用一个双向PWM整流控制策略，即实现了发动机的起动功能，又实现了发电时整流及稳定直流电压到无人机旋翼电机额定供电电压。相比于传统的起动发电系统，硬件集成度和利用率高，大大降低了无人机自身重量，进而可以拓宽油电混合无人机的带载能力和续航时间。本专利技术对既可以实现起动又可以实现发电稳压的PWM整流电路的设计，提出了一套完整的设计方案，可以应用在不同类型和不同功率等级的油电混合无人机上。进一步的，本专利技术在油电混合无人机用发动机带动起动发电机发电时，根据不同的转速范围，采用了三种不同的励磁电流控制方法，作用于双向PWM整流器，可以使整流输出的电压不受发动机转速波动影响，维持在平稳的额定电压24V，稳定的供电电压保证了无人机飞行姿态的可靠控制。进一步的，本专利技术相比于多个分立模块实现油电混合无人机发动机的起动发电稳压系统，功率损耗仅仅集中在双向PWM整流电路上，因此整机效率大大提高，提高了供电模块的功率密度。附图说明图1为起动发电系统总体示意图。图2为本专利技术的PWM整流电路图。图3为本专利技术的起动发电控制流程图。图4为本专利技术的起动发电控制框图。图5为本专利技术的发电过程矢量图。其中，(a)为弱磁控制，(b)为增磁控制。图中，1为发电机，2为起动发动机，3为双向PWM整流电路，4为旋翼电机，5为双向DC/DC变换器，6为锂电池，7为电压电流传感器，8为驱动模块，9为控制器，10为PI控制器，11为发电电压PI控制器，12为Id*＝0控制器，13为发电弱磁控制器，14为发电增磁控制器，15为SVPWM模块，16为内环PI控制器。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细说明。参见图1，本专利技术的油电混合无人机用起动发电一体式系统，包括发动机1、起动发电机2、双向PWM整流电路3、双向DC/DC变换器5、锂电池6以及无人机，无人机包括旋翼电机4；其中，发动机1与起动发电机2相连，起动发电机2与双向PWM整流电路3相连，双向PWM整流电路3与无人机的旋翼电机4相连。锂电池6通过双向DC/DC变换器5与双向PWM整流电路3相连，并作为起动时的能量来源。双向PWM整流电路3连接有控制器9。参见图2，双向PWM整流电路3由六组功率MOSFET，采用三相半桥的形式连接，双向PWM整流电路3一端与起动发电机相连，另一端与锂电池6以及无人机相连。通过电压电流传感器7采集三相电压电流信号及母线电压电流信号，六组功率MOSFET与驱动模块8相连。电压电流传感器7和驱动模块8均与控制器9相连。参见图3与图4，本专利技术的控制方法主要有两个过程组成，具体如下：1)起动时，利用起动发电机的电动性能快速将发动机拖动至点火工作点，然后发动机火花塞上电，进行点火操作。点火工作点是发动机能成功点火，冲程连续工作的最低转速。根据电压电流传感器检测到的三相电压电流信号、位置以及转速，控制器采用转速外环电流内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种油电混合无人机用起动发电一体式系统，其特征在于，包括发动机、起动发电机以及与无人机相连的双向PWM整流电路，其中，发动机与起动发电机相连，起动发电机与双向PWM整流电路相连；双向PWM整流电路还连接有电池与控制器。

【技术特征摘要】
1.一种油电混合无人机用起动发电一体式系统，其特征在于，包括发动机、起动发电机以及与无人机相连的双向PWM整流电路，其中，发动机与起动发电机相连，起动发电机与双向PWM整流电路相连；双向PWM整流电路还连接有电池与控制器。2.根据权利要求1所述的一种油电混合无人机用起动发电一体式系统，其特征在于，电池通过双向DC/DC变换器与双向PWM整流电路相连。3.根据权利要求1所述的一种油电混合无人机用起动发电一体式系统，其特征在于，双向PWM整流电路包括采用三相半桥的形式连接的六组功率MOSFET。4.根据权利要求3所述的一种油电混合无人机用起动发电一体式系统，其特征在于，还包括采集三相电压电流信号与直流母线电压电流信号的电压电流传感器；六组功率MOSFET与驱动模块相连，电压电流传感器和驱动模块均与控制器相连。5.一种基于权利要求4中所述的油电混合无人机用起动发电一体式系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)起动时，利用起动发电机将发动机拖动至点火工作点，然后发动机火花塞上电，进行点火操作；控制器根据电压电流传感器检测到的三相电压电流信号，采用转速外环电流内环的双闭环控制策略与矢量控制算法，生成SVPWM三相桥调制信号，并将SVPWM三相桥调制信号输出给驱动模块，驱动模块驱动双向P...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东升，李鹏，刘新正，李志恒，金雨斌，张富强，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61